Genética de Poblaciones Inma Martín Burriel minma@unizar.es loslideres.wordpress.com 1
Cómo conseguir cosechas/rebaños mejoradas? Cómo entender la naturaleza y el origen de las especies? y de las razas? Individuo Estudio de poblaciones: La transformación de una especie a lo largo de la evolución (Natural o artificial) 2
Según el libro Guinness de los Records, Tristan da Cunha es la isla permanentemente habitada más remota del planeta; en mitad del Océano Atlántico Sur a 2334 km de su vecino más cercano. Mas info: Wikipedia La Población de Tristán da Cunha - 1817: Escocés William Glass llega con su familia - Llegan marineros, naúfragos mujeres de la isla Santa Helena - 1855: población 100-1856: Muere William Glass y muchos isleños emigran a América del Sur - 1857: población 33-1885: población 106-1885: 15 hombres de la isla mueren en un barco pequeño volteado por una ola enorme. Muchas viudas y niños abandonan la isla - 1885: población 59-1961: erupción volcánica. Los habitantes se van a Inglaterra 2 años (nuevas enfermedades) - 1993: población 300 personas Archipiélago Británico Más de la mitad de los isleños presentan síntomas de asma Hereditaria. 3
Tema 12: La estructura genética de las poblaciones Nicholas F.W. (1996) Griffiths AJ et al. (2000) Klug W y Cummings MR (1999) Tamarin RH (1996) Puertas (1992) Objetivos: Conocer el concepto de población y los atributosdelamismadesdeelpuntode desde vista genético Describir cómo se ha distribuido el efecto fenotípico de un locus en una población Establecer el significado de equilibrio genético de una población 4
Contenidos Conceptos básicos de genética de poblaciones Estimación de frecuencias fenotípicas, genotípicas y génicas, según los distintos tipos de control genético Equilibrio Hardy-Weinberg: concepto, cálculo y alteraciones en genes autosómicos y ligados al sexo Tª de Darwin de la evolución natural: 1. Principio de variación Entre los individuos de una población hay variación en cuanto a morforlogía, fisiología, comportamiento 2. Principio de herencia Los descendientes se parecen a sus progenitores más de lo que se parecen a otros individuos no emparentados 3. Principio de selección En un ambiente concreto, algunas formas tienen más éxito que otras en cuanto a su supervivencia y reproducción La selección puede provocar un cambio en la composición de una población Requisito: Existencia de variación Evolución: Cambio en una población a lo largo del tiempo. La población es la unidad más pequeña que puede evolucionar. 5
Población "Conjunto de individuos (de la misma especie) que viven en una localidad geográfica determinada y que real o potencialmente son capaces de reproducirse entre si y por tanto comparten un conjunto de genes" ATRIBUTOS ACERVO GENÉTICO FRECUENCIAS GÉNICAS Genética de poblaciones Características genéticas (Estructura) - Dinámica - Comportamiento Fuerzas que alteran las frecuencias génicas - Futuro Variación Sólo podemos observar la variación fenotípica Caracteres interesantes: Caracteres interesantes: - Forma del cuerpo (razas) - Variaciones en producción (leche, huevos, ) - Susceptibilidad a enfermedades 6
Variación genética: Polimorfismo Morfológico Variación proteica Polimorfismos del DNA: Fenotipo = Genotipo Marcadores neutros Transmisión Mendeliana Estructura Genética de la población: Frecuencias génicas Describen como esta distribuido un locus con efecto fenotípico distinguible en una población natural Nos proporcionan la variación genética existente en una población Indican si los genotipos se distribuyen aleatoriamente en tiempo y espacio o hay patrones perceptibles LAS POBLACIONES SON DINÁMICAS Determinan qué procesos cambian la estructura genética de la población 7
Contenidos Conceptos básicos de genética de poblaciones Estimación de frecuencias fenotípicas, genotípicas y génicas, según los distintos tipos de control genético Equilibrio Hardy-Weinberg: concepto, cálculo y alteraciones en genes autosómicos y ligados al sexo Estructura genética de las poblaciones: otras frecuencias Frecuencias fenotípicas: proporciones o porcentajes de individuos de cada fenotipo que están presentes en la población Nº individuos de un determinado fenotipo/nº total de individuos Frecuencias genotípicas: proporciones o porcentajes de individuos de cada genotipo que están presentes en la población Nº individuos de un determinado genotipo/nº total de individuos Frecuencias alélicas (génicas): proporciones de los diferentes alelos en cada locus presentes en la población. Gen: Marrón MM marrón oscuro Mm marrón claro mm beige 8
Cálculo de frecuencias alélicas en codominancia 1.Codominancia o Herencia intermedia (1 locus con 2 alelos) LOCUS FENOTIPO INDIVUOS OBSERVADOS PepB 11 96 12 36 22 2 134 Genotipo Frec. Fenotípicas = F. Genotípicas observadas 11 96/134= 0.717 12 36/134= 0.268 22 2/134= 0.015 Peptidasa B bovina, fijada en razas de Europa y polimórfico en zebú y razas mixtas Cálculo de frecuencias génicas a partir de frecuencias genotípicas LOCUS GENOTIPO INDIVUOS OBSERVADOS FRECUENCIAS PEPB 11 96 0.717 12 36 0.262 22 2 0.015 134 Recuento directo A partir de Frec genes: Genotípicas: Homocigotos: 2 alelos Frecuencia de un iguales alelo = frecuencia de Heterocigotos: 1 alelo de homocigotos + ½ cada tipo frecuencia de Cálculo: heterocigotos Frecuencia del alelo 1: -Cálculo: homocigotos 11 96 x 2= 192 f. a de 1= f 11+1/2 f 12 Heterocigotos 12 36x1= 36 f. a de 2= f 22 +1/2 f 12 Σ=228 Población=134 individuos f.a de 1 = 0.717 + 0.268/2 =0.851 ( 2 alelos cada uno ) = 268 alelos f.a de 2 = 0.015 + 0.268/2 = 0.149 f.a de 1 = 228/268= 0.851 9
2.Codominancia o Herencia intermedia (1 locus con más de 2 alelos) LOCUS GENOTIPO INDIVUOS OBSERVADOS INRA23 11 84 22 3 33 1 12 18 13 20 23 5 / 131 Genotipo Frec. Fenotípicas = F. Genotípicas observadas 11 84/131= 0.641 22 3/131= 0.023 33 1/131= 0.007 12 18/131= 0.137 13 20/131= 0.153 23 5/131= 0.038 Cálculo de frecuencias génicas a partir de frecuencias genotípicas Genotipo F. Genotípicas observadas 11 84/131= 0.641 22 3/131= 0.023 33 1/131= 0.007 12 18/131= 0.137 13 20/131= 0.153 23 5/131= 0.038 f a de 1 = 0 641 + 0 137/2 + 0 153/2 = 0 786 f.a de 1 = 0.641 + 0.137/2 + 0.153/2 = 0.786 f.a de 2 = 0.023 + 0.137/2 + 0.038/2 = 0.1105 f.a de 3 = 0.007 + 0.153/2 + 0.038/2 = 0.1025 10
Codominancia o Herencia intermedia GENERALIDADES Genotipos numero de individuos Frec. Genotípicas A1A1 n1 P (n1/n) A1A2 n2 H (n2/n) A2A2 n3 Q (n3/n) p (f.a de A1) = P + H/2 = (2n1 + n2)/2n q (f.a de A2) = Q + H/2 = (2n3 + n2)/2n p+q = P + H/2 + Q + H/2 = P+H+Q =1 Las frecuencias alélicas oscilan de 0 a 1 La suma de las frecuencias alélicas de los alelos de una población es 1: p+q+r+..+z=1 11
Atención! Las frecuencias alélicas se pueden hallar a partir de las frecuencias genotípicas. Las frecuencias genotípicas NO se pueden hallar a partir de las frecuencias alélicas 12
3.Dominancia completa (1 locus con 2 alelos) Locus: Alien Alelos: A (normal) > a (alien) Frecuencias Fenotípicas? Frecuencias genotípicas? Frecuencias génicas? 3.Dominancia completa (1 locus con 2 alelos) LOCUS FENOTIPO INDIVUOS OBSERVADOS A A/ AA (P) ó Aa (H) P + H aa R p (frec. A) = P + H/2 q (frec. a) = Q + H/2 No podemos calcular las frecuencias génicas por no conocer P y H. Para calcular las frecuencias génicas será necesario establecer: Ley de Hardy Weinberg Equilibrio Hardy-Weinberg 13
Contenidos Conceptos básicos de genética de poblaciones Estimación de frecuencias fenotípicas, genotípicas y génicas, según los distintos tipos de control genético Equilibrio Hardy-Weinberg: concepto, cálculo y alteraciones en genes autosómicos y ligados al sexo Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W. Condiciones: Población infinita Panmixia No selección (ventaja selectiva) No mutación No migración No deriva EQUILIBRIO H-W EN GENES AUTOSÓMICOS EQUILIBRIO H-W EN GENES LIGADOS AL SEXO Casos: - CODOMINANCIA/HERENCIA INTERMEDIA - DOMINANCIA COMPLETA Propiedades: 1. Las frecuencias alélicas predicen las frecuencias genotípicas. 2. En el equilibrio las frecuencias no cambian de generación en generación. 3. El equilibrio se alcanza con una generación de apareamiento al azar. 14
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W. (genes autosómicos, codominancia) 1. Las frecuencias alélicas predicen las frecuencias genotípicas Frec (A): p Frec (a): q A a p q A AA Aa p p 2 pq a Aa Aa q pq q 2 p 2 : -Probabilidad bilid d de que 2 gametos A se unan -Frecuencia de los homocigotos AA en la población 2pq: -Frecuencias de los heterocigotos q 2 : Frecuencia de los homocigotos aa Frecuencias de Hardy-Weinberg Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W. (genes autosómicos, codominancia) 2. En el equilibrio las frecuencias se mantienen de generación en generación Generación Frecuencias Genotípicas A1A1 A1A2 A2A2 F 0 = Parental P H Q [p(a1) q(a2)] Cuáles serán las frecuencias genotípicas en la siguiente generación? F 1 P'(p 2 ) H'(2pq) Q'(q 2 ) Se mantienen las frecuencias alélicas de generación en generación? p'(a1) = P' +H'/2 = p 2 + 2pq/2 = p 2 + pq = p (p+q) = p q'(a2)= Q' +H'/2 = q 2 + 2pq/2 = q 2 + pq = q (p+q) = q GENOTIPOS ESPERADOS EN EL EQUILIBRIO: P (A1A1) = p 2 x N; H (A1A2) = 2pq x N; Q (A2A2) = q 2 x N 15
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W. (genes autosómicos, codominancia) La comprobación del equilibrio en una población se debe realizar comparando datos observados con datos esperados (test estadístico de χ 2 de bondad de ajuste) EJEMPLO Hb ovino GENOTIPO AA AB BB OBS 73 52 9 N = 134 (p (f.a A)= 0,74 y q (f.a de B) = 0,26) GENOTIPOS ESPERADOS P (AA) = p 2 xn H(AB) = 2pqxN Q(BB)= q 2 xn ESP (0,74) 2 x 134=73.4; 2x0,74x0,26x134=51,5; (0,26) 2 x134=9,1 Χ 2 = Σ(O - E) 2 /E g. l. =nº de genotipos - nº de alelos Gen: Marrón MM marrón oscuro Mm marrón claro mm beige Frecuencias genotípicas: MM 5/10= 0.5 Mm 3/10 = 0.3 mm 2/10 = 0.2 Frecuencias c génicas/alélicas: é M: (5 x 2)+ 3 / (2x 10) = 13/20 = 0.65 m: (2 x 2) + 3 / (2 x 10) = 7/20 = 0.35 ESTÁ EN EQUILIBRIO GENÉTICO LA POBLACIÓN? 16
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W. (genes autosómicos, codominancia) 3. El equilibrio se alcanza con una generación de apareamiento al azar f(a/a) f(a/a) f(a/a) I (n=100) 30 0 70 II (n=100) 20 20 60 III (n=100) 10 40 50 Cuál es la frecuencia alélica de A en cada población? I p = P + ½ Q = 0.3+ ½ 0 = 0.3 II p = P + ½ Q = 0.2+ ½ 0.1 = 0.3 III p = P + ½ Q = 0.1+ ½ 0.4 = 0.3 OBS. 60 60 180 300 ESP: p 2 (27) 2pq(147) q 2 X (126) 300 2 (114,96) g.l.:1 significativa Cuál serán las frecuencias genotípicas tras un ronda de cruzamiento al azar? A/A A/a a/a (0.3) 2 =0.09 2(0.3)(0.7)=0.42 (0.7) 2 =0.49 ESTUDIO DEL EQUILIBRIO GENETICO EN UNA POBLACION PLANTEAMIENTO PARA MAS DE DOS ALELOS Para dos alelos el desarrollo para el cálculo de frecuencias genotípicas se debe a (p + q) 2, que representa la combinación al azar de dos alelos, si fueran tres alelos el desarrollo sería: (p+q+r) 2 = p 2 +q 2 +r 2 +2pq+2pr+2qr Ej. Glucosa 6-fosfato deshidrogenasa G6PD en caballos (D,F,S) Genotipos DD DF DS FF FS SS nº individuos n1 n2 n3 n4 n5 n6 F.G.esperadas p 2 2pq 2pr q 2 2qr r 2 p(d)= 2n1+n2+n3/2N q(f)= n2+2n4+n5/2n r(s)= n6+n5+2n6/2n 17
ESTUDIO DEL EQUILIBRIO GENÉTICO EN UNA POBLACION DOMINANCIA COMPLETA No se puede calcular exactamente porque no podemos clasificar genotipos Se pueden estimar las frecuencias génicas suponiendo que el locus está en equilibrio i genético. Locus: Alien Alelos: A (normal) > a (alien) Frecuencias Fenotípicas? Frecuencias genotípicas? Frecuencias génicas? 18
ESTUDIO DEL EQUILIBRIO GENÉTICO EN UNA POBLACION DOMINANCIA COMPLETA Frec. genotipica del Homocigoto recesivo (Q) = q 2 q = Q p = 1 - q -------- P = p 2 H = 2pq Error estandard e.s = pq / N Ej Estimar las frecs. Alélicas del sistema ABO conociendo las fenotípicas: A: 0.53, B: 0.13; AB: 0.08; O: 0.26 Aplicación Estimar la frecuencia de individuos portadores de una enfermedad autosómica recesiva: Fibrosis quística: Incidencia:1/2500 = 0.0004 El gen afectado disminuye el transporte de cloruro en las células de los alvéolos pulmonares lo que provoca una disminución en la secreción de agua en la superficie celular. El resultado es un espeso moco que causa congestión en los pulmones. En las personas sanas las células epiteliales mueven el moco hacia las vías aéreas y hacia el sistemas digestivo. De este modo los cuerpos extraños como las bacterias son eliminados de los pulmones. 19
ENFERMEDADES AUTOSÓMICAS RECESIVAS MONOGÉNICAS Enfermedad Frecuencia Síntomas Fibrosis quística 1/2000 Norte Europa Infección pulmonar Deficiencia pancreática Esterilidad masculina Fenilcetonuria 1/2000 a 1/5000 Europa Retraso mental Tay-Sachs 1/3000 Judíos Degeneración neurológica ceguera, parálisis Anemia falciforme 1-2/1000 Áreas malaria Anemia Hematocromatosis 1/500 Acumulación de hierro, diabetes, cirrosis hepática, fallo cardíaco Talasemias 1-2/100 Mediterráneo Anemia zonas malaria Alfa1-antitripsina 1/5000 Europa Fallo hepático, enfisema (deficiencia) Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W. (genes ligados al sexo (X)) HEMBRAS MACHOS XA1XA1 XA1XA2 XA2XA2 XA1Y XA2Y P H Q R S p de hembras = P + H/2 q de hembras = Q + H/2 p de machos = R q de machos = S En un apareamiento al azar con igual número de machos que de hembras, existe un cromosoma X en los machos y dos cromosomas X en las hembras, por tanto la frecuencia promedio será: (p)=1/3p de machos + 2/3p de hembras= =1/3(R)+2/3(P+H/2)=1/3(R+ 2P +H) Si p p No hay equilibrio genético 20
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W. (genes ligados al sexo (X)) El equilibrio genético no se alcanza con una generación de multiplicación al azar 1 0.9 0.8 Frecuencia aléli 0.7 0.6 0.5 0.4 Hembras Machos 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Generaciones Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W. (genes ligados al sexo (X)) Si existe equilibrio no debe haber cambio de frecuencias génicas entre machos y hembras. Frecuencias genotípicas en el equilibrio: HEMBRAS MACHOS XA1XA1 XA1XA2 XA2XA2 XA1Y XA2Y p2 2pq q2 p q En genes recesivos ligados al sexo, las Frec. Genotípicas en machos (q) son más altas que en las hembras (q2) LA RELACION ENTRE SEXOS SERA: q/q2 21
Ley de Hardy-Weinberg: Equilibrio H.W. (genes ligados al sexo (X)) Ej. En la especie humana la frecuencia del alelo de la ceguera a los colores es 0.08. Cuantas veces es más frecuente en hombres que en mujeres? Ej. La frecuencia del alelo O (naranja) del color del pelaje en el gato es de 0,2. cuál será la frecuencia de machos y hembras naranjas? Y de hembras Carey? En una población en la que no hay selección, mutación, migración o deriva genética, 1. Las frecuencias genotípicas en la descendencia vienen determinadas solamente por las frecuencias génicas de los padres, de manera que a. La frecuencia de cada homocigoto será igual al cuadrado de la frecuencia del alelo correspondiente b. La frecuencia de los heterocigotos será igual a dos veces el producto de las correspondientes frecuencias alélicas 2. Las frecuencias alélicas y genotípicas permanecen constantes entre generaciones 22
3. No hay cambio en las frecuencias alélicas de una generación a la siguiente. 4. Lo que se transmite de una generación a otra, a través de los gametos, son los genes, no los genotipos o fenotipos, éstos desaparecen con el individuo. 5. El equilibrio implica que, independientemente de qué genotipos se mezclen en la generación parental, la distribución genotípica en una ronda de cruzamiento aleatorio está especificada por las frecuencias alélicas parentales. 6. Las frecuencias alélicas y genotípicas se mantendrán mientras se cumplan las condiciones del equilibrio H-W Evolucionaríauna población en equilibrio genético? Por qué cambian las poblaciones? - Los cambios en las poblaciones se deben más al ambiente que a los genes. - La evolución se debe más a cambios ambientales que genéticos... 23